利用GRACE衛(wèi)星測量的華北地區(qū)地下水儲量變化示意圖　　

圖/中國科學(xué)院測量與地球物理研究所

GRACE及GRACE-FO均采用兩顆衛(wèi)星成組運(yùn)行的方式，利用衛(wèi)星距離的變化反演地球重力場的變化

圖/NASA網(wǎng)站

北京時間5月23日，兩顆美國“重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒?yàn)后續(xù)”衛(wèi)星(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On，以下簡稱 GRACE-FO)在范登堡空軍基地由獵鷹9號火箭發(fā)射升空。它們將接替2017年10月退役的兩顆GRACE衛(wèi)星，繼續(xù)探測地球重力場變化。

地球重力場及其變化，反映了地球內(nèi)部密度結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的變化。依據(jù)GRACE提供的數(shù)據(jù)，科學(xué)家觀測到了南北極冰蓋融化、喜馬拉雅地區(qū)冰雪消融、海平面上升，以及全球范圍地下水儲量的變化。

NASA(美國航空航天局)援引的一項(xiàng)國外研究結(jié)果表明，全球大型的地下水存儲區(qū)域中，有三分之一正在被超采。而這些地區(qū)還剩下多少地下水，很長時間內(nèi)并沒有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，也不知道何時會耗盡。從2002年起，GRACE這雙“天眼”為全球科學(xué)家觀測地下水儲量提供了可靠的數(shù)據(jù)，幫助人類看清了地下水的變化。

在中國，多個研究團(tuán)隊(duì)均利用了GRACE持續(xù)性的觀測數(shù)據(jù)，對華北平原等地下水漏斗區(qū)進(jìn)行了研究。

中國科學(xué)院測量與地球物理研究所馮偉博士團(tuán)隊(duì)是其中較早的一支。他們的研究結(jié)果表明，華北平原每年地下水超采達(dá)到60億-80億噸，其中大多數(shù)為難以恢復(fù)的深層地下水。

華北平原成世界最大地下水“漏斗區(qū)”

今年5月，瑞士地下水專家金士博的一個演講視頻在網(wǎng)絡(luò)廣為流傳。他在演講中發(fā)出警告：“華北平原地下水超采的量，大到甚至可以從衛(wèi)星上監(jiān)測到。”

金士博從1979年起在中國做地下水有關(guān)的工作，那時中國地下水水位還很高，水面離地面很近。而到了上世紀(jì)80年代，情況急轉(zhuǎn)直下，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民抽地下水灌溉糧食以后，地下水水位以每年0.5到1米的速度下降。

金士博并非衛(wèi)星專家，其援引的數(shù)據(jù)和圖表，來自于位于武漢的中國科學(xué)院測量與地球物理研究所馮偉博士團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究。

該研究主要采用的就是GRACE的監(jiān)測數(shù)據(jù)，且是全球最早利用該衛(wèi)星資料研究華北平原地下水的。

在今年4月發(fā)表在《遙感》期刊上的論文中，馮偉團(tuán)隊(duì)介紹了基于GRACE對中國三個地區(qū)地下水儲量變化的研究成果，包括華北平原、東北的遼河流域和新疆塔里木盆地。研究結(jié)果顯示，2002-2014年，華北平原地下水儲量虧損速率為-7.4±0.9km3·a-1。也就是說，華北平原每年有60億-80億噸地下水虧損，并且處于長期持續(xù)虧損的狀態(tài)。

華北平原地下水超采，并不是新問題了。但衛(wèi)星提供了一個全新、準(zhǔn)確的觀測手段。原環(huán)保部和國土資源部發(fā)布的《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011-2020年)》顯示，截至2011年，華北平原東部深層承壓地下水水位降落漏斗面積達(dá)7萬多平方公里，部分城市地下水水位累計(jì)下降達(dá)30-50米，局地累計(jì)水位下降超過100米，已然成為世界最大的地下水“漏斗區(qū)”。

中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所所長石建省接受媒體采訪時表示，華北一些城鄉(xiāng)集中供水的水井已經(jīng)打到500米深，開采到了數(shù)百萬年前地質(zhì)歷史時期形成的地下水。這些水像化石資源一樣，很難更新、循環(huán)遲緩，如果不嚴(yán)格管理，后果會很嚴(yán)重。

外太空“天眼”監(jiān)測地下水演變

2002年，德美兩國合作的衛(wèi)星發(fā)射升空，以兩顆衛(wèi)星編隊(duì)形式，在距離地面400多公里的軌道上運(yùn)行。

“它們就像《貓和老鼠》里的湯姆和杰瑞，在太空中相互'追逐'。”馮偉形容。GRACE衛(wèi)星采用了微波測距技術(shù)，當(dāng)衛(wèi)星所對的地球重力場發(fā)生變化，兩個衛(wèi)星的距離將隨之發(fā)生輕微改變，時近時遠(yuǎn)，測量誤差小于0.1個微米，相當(dāng)于頭發(fā)直徑的百分之一。

根據(jù)兩顆衛(wèi)星的距離變化，研究者可以反演推算出地球重力場發(fā)生的改變。而地球重力場變化則是物質(zhì)遷移導(dǎo)致的，包括水儲量、冰川質(zhì)量、海水質(zhì)量的變化等。

在降水較多的地區(qū)，例如中國華南，地球重力場主要由于地表水和土壤水的變化導(dǎo)致。而在相對干旱的地區(qū)，地下水變化是影響地球重力場變化的重要因素之一。因此，在諸如中國華北平原的干旱地區(qū)，GRACE觀測數(shù)據(jù)可以很好地反映地下水的演變。

研究者通過GRACE監(jiān)測的地球重力變化估計(jì)出總的水質(zhì)量變化，再結(jié)合其他實(shí)測與模型資料，進(jìn)一步扣除地表水和土壤水的影響，就可以定量監(jiān)測地下水的變化情況。

自第一代GRACE衛(wèi)星升空后，15年間，全世界的科學(xué)家利用GRACE數(shù)據(jù)進(jìn)行了持續(xù)的地下水儲量變化的監(jiān)測，包括印度北部地區(qū)、美國加州中央山谷地區(qū)和中東地區(qū)等全球著名的地下水“漏斗區(qū)”。

“GRACE已成為監(jiān)測全球大中尺度地下水變化的唯一觀測手段。”馮偉說。

而華北平原在14萬多平方公里的區(qū)域上，形成了7萬平方公里的大“漏斗”，水資源供需態(tài)勢之嚴(yán)峻，吸引了全球多國科學(xué)家開展研究。

據(jù)悉，除了微波測距系統(tǒng)外，最新發(fā)射升空的GRACE-FO還搭載了激光測距系統(tǒng)，其觀測精度達(dá)到納米量級，比微波提升了三個數(shù)量級。

揭示深層地下水虧損現(xiàn)狀

馮偉第一次借由GRACE數(shù)據(jù)算出華北地下水儲量時，頗感震驚。“我沒有想到華北情況這么嚴(yán)重，是全國GRACE衛(wèi)星信號最大的地區(qū)之一。”

GRACE對地下水儲量監(jiān)測的意義，在于提供了相對獨(dú)立有效且易于獲取數(shù)據(jù)的監(jiān)測手段。

在GRACE投入使用之前，傳統(tǒng)地下水監(jiān)測手段包括地面水井監(jiān)測和水文建模。據(jù)馮偉介紹，水井監(jiān)測的人力物力成本較高，監(jiān)測范圍通常較為有限。且由于多部門分別建有各自的監(jiān)測站點(diǎn)，數(shù)據(jù)卻沒有充分共享，學(xué)術(shù)界做研究時有時很難拿到數(shù)據(jù)。

利用水文模型研究地下水也有不足。模型的可靠性依賴于良好的水文地質(zhì)參數(shù)和可靠的實(shí)測資料，例如土壤滲透系數(shù)和貯水系數(shù)等，準(zhǔn)確性受外部影響較大。

而GRACE的一大貢獻(xiàn)，就是對深層地下水虧損“貢獻(xiàn)度”的揭示。

馮偉說，國家地下水公報(bào)通常只公布淺層地下水的情況，即華北每年虧損約十幾億噸地下水，但基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)測算結(jié)果為年均60億-80億噸，這意味著深層地下水的虧損量是淺層地下水的5-6倍。

通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和合成孔徑雷達(dá)干涉等技術(shù)對地表形變的監(jiān)測，研究者發(fā)現(xiàn)，我國華北地區(qū)的大面積沉降主要集中在中東部平原地區(qū)，這些地區(qū)的地面沉降，主要由深層地下水嚴(yán)重超采所致。

■ 亮點(diǎn)

下一代重力衛(wèi)星將采用“雙軌道四星”模式

盡管貢獻(xiàn)突出，GRACE也有局限性，主要是受制于觀測精度和軌道設(shè)計(jì)，其分辨率僅為300公里左右，無法提供更高分辨率的區(qū)域地下水儲量空間變化信息。

不過隨著GRACE-FO衛(wèi)星的發(fā)射和下一代重力衛(wèi)星計(jì)劃的實(shí)施，重力衛(wèi)星有望提供更高時空分辨率的全球重力場模型，拓展重力衛(wèi)星的水文學(xué)應(yīng)用范圍。

本月中國發(fā)射了一顆嫦娥工程中繼衛(wèi)星“鵲橋號”，正飛向距離地球約46萬公里的地月拉格朗日L2點(diǎn)。“鵲橋號”攜帶了一臺能進(jìn)行激光測距試驗(yàn)的激光反射器，這是中山大學(xué)引力波探測計(jì)劃“天琴計(jì)劃”的一部分，該計(jì)劃明確提出了雙星激光測距重力衛(wèi)星的方案。

馮偉表示，雙星方案都屬于第一代重力衛(wèi)星。5月15日-17日，在武漢召開的“中歐下一代重力衛(wèi)星協(xié)調(diào)會議”上，中歐科學(xué)家共同討論了下一代重力衛(wèi)星計(jì)劃的科學(xué)模擬與技術(shù)預(yù)研。

馮偉透露，“雙軌道四星”的下一代重力衛(wèi)星模式已基本確定。它們將構(gòu)成兩對“天眼”，極大地提高觀測精度和時空分辨率，有望在大地測量學(xué)、水文學(xué)、地球物理學(xué)、冰凍圈科學(xué)、海洋學(xué)和大氣科學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生更多開創(chuàng)性的科學(xué)成果。